海洋環境水下電場時頻特征分析

江立軍

(海軍駐大連地區軍代表室,遼寧大連116021)

海洋環境水下電場時頻特征分析

江立軍

(海軍駐大連地區軍代表室,遼寧大連116021)

目的掌握海洋環境水下電場主要能量來源和衰減規律。方法結合理論研究環境電場幅值隨時間的變化規律,重點分析水下環境電場不同頻帶的頻譜分布,最后計算得到海洋環境水下電場不同頻點的幅值在整個頻帶所占比重。結果海洋環境水下電場隨海水電導率和海水運動強度的減弱,幅值降低,能量主要集中在0.01～1 Hz的低頻以及工頻處,在一定的空間范圍內海洋環境水下電場的一致性較強。結論實驗結果與理論分析結果具有一定的吻合度。

海洋環境水下電場;時頻特征;能量分配

海洋環境水下電場是艦船目標探測和識別的主要背景場之一,其特性直接影響水下電場測量系統對弱信號的檢測能力。海洋環境水下電場根據場源形式不同,可分為天然電場和人為因素形成的電場。天然電場包括大地電場、海流和海洋波浪產生的電場、物理化學成因的電場以及生物電效應等幾類電場[1]。人為因素形成的海洋環境水下電場主要是指工業干擾中的50 Hz工頻及其諧波。

由于海洋環境水下電場是非平穩的隨機過程,它與季節、氣候、時間及海況等環境因素息息相關,因此文中擬從時間和頻率域的聯合分布來研究環境電場的變化規律和能量分配,從而可以確定電場在不同時間和頻率上的能量分布以及衰減規律。

文中所用數據均來自與一套長基線水下電場測量系統。測試系統所用電極為4只,以1只電極作為參考電極,其他電極與之差分,共構成3組測量體,用于獲取水下電場數據。試驗測試方法為將4只測量電極沿一條直線依次布放于海底。由于受到海水作用,需利用GPS記錄每只電極的實際布放位置,根據電極的位置信息將3組測量體數據修正到同一條直線。

1 時頻分布

主要采用線性時頻分析方法對環境電場信號進行處理,研究了不同空間位置、連續觀測的長基線水下電場時頻分布。根據所要分析的對象,選擇合適的數據長度,具體的處理步驟如下:

1)選擇不同時間點合適的樣本。

2)將需要分析的數據串聯起來,組成一組數據。

3)時頻分析。將串聯起來的數據作時頻分析,選擇合適的窗函數、FFT點數、重疊率、顯示的頻率和幅度范圍。

4)在時頻圖的時間軸上,標注準確的時間。

分析結果如下:

圖1中橫坐標表示分析頻段為0.01～1000 Hz,縱坐標表示測試時間為從當天的上午09∶00至次日的上午08∶00,圖中顏色的深淺代表電場的強度信息(已歸一化)。從不同測量體的時頻分析結果中可以看出,布放在不同位置處的電場表現出類似的時頻分布特性。能量集中在0.01～1 Hz的低頻帶和50 Hz工頻及諧波處,這部分能量主要來自于天然電場中的海洋大地電場、海水運動感應電場和周邊的工業干擾。

隨著時間的推移,在凌晨1—3點時電場強度最低,各測量體電場幅度隨時間衰減和增強的變化趨勢一致。根據理論分析,海面波浪產生的電場三分量解析公式為[2]:

圖1 不同測量體連續觀測的時頻Fig.1 Time frequency diagram of continuous observation with different measurements

2 頻譜分布

文中從時頻圖中對連續觀測的環境電場能量分布進行了定性分析,以下針對不同頻點的電場進行定量研究,目的是掌握電場在不同空間位置的能量分布以及衰減情況,分析結果見表1和如圖2所示(樣本選擇的時間點為上午10∶00)。

表1 不同頻點幅值變化以及所占比重Table 1 Changes in the amplitude of different frequency and the proportion of the amplitude

觀察0.01～1 Hz頻段各測量體的頻譜分布曲線,三者的變化趨勢一致,并且頻率越低,幅值差別越大(這是由于電極距不同引起電場空間增益不同所致)。可見,海洋環境電場在0.01～1 Hz頻段具有很強的空間相關性,它主要由天然電場中的海水運動感應電場引起。海面波浪感應電場的周期與波浪的周期一致,其頻率范圍主要集中在0.08～0.5 Hz[3]。涌浪產生的電場幅度較大,頻率約為0.1 Hz[4]。

圖2 不同測量體頻帶頻譜曲線Fig.2 Spectrum curve at different band with different measurements

觀察1～10 Hz頻段的頻譜分布曲線,1～5 Hz頻段內3個測量體的頻譜衰減趨勢一致性也比較強,但3個測量體幅值之間的差異較0.01～1 Hz頻段明顯變小。在5～10 Hz頻段,不同位置處電場的頻譜幅值隨機性增強,幅值大小已不存在明顯差異,衰減強度也明顯減弱,3個測量體所測電場頻譜曲線基本重合。這主要是由于海洋大地電場的影響,海水媒質具有高電導性,對高頻電磁波具有強烈的吸收作用,因此海洋大地電場能量主要集中在10 Hz以下頻段。

觀察0.01～1000 Hz頻段電場幅值的衰減曲線,在10～1000 Hz的交變電場部分,海洋環境工頻電場所占比重最大[5—6],但工頻電場及其諧波的幅值和個數存在差異。除工頻及諧波之外,三者交變電場的幅值接近。引起工頻電場和諧波不同的原因主要為測量體距離海岸線的距離不同所致。

3 結語

海洋環境水下電場能量的主要成分為0.01～10 Hz低頻和50 Hz工頻電場,其中0.01～10 Hz低頻成分主要來源于天然電場并且在不同空間位置電場頻譜的衰減趨勢一致,表明海洋環境電場在低頻相關性很強,這源于海洋大地電場和海水運動在一定的區域內具有空間一致性。工頻電場是10～1000 Hz頻帶能量最強的頻點,它主要來源與測試海域附近陸上的大功率發電、送變電設施及電器設備,隨與海岸線的距離變化急劇衰減。

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Time-frequency Characteristic Analysis of Underwater Electric Field in Ocean Environment at Shallow Sea

JIANG Li-jun
(Naval Agent＇s Room in Dalian Region,Dalian 116021,China)

Objective To master the main energy source and attenuation law of underwater electric field in ocean environment.Methods The variation environmental electric field amplitude with time was studied in combination with the theories.The frequency spectral distribution at different frequency bands of the underwater environmental electric field was analyzed in detail.Finally,the proportions of the amplitude values at different frequency points in the whole frequency band of the underwater electric field in ocean environment were calculated.Results The results showed that the amplitude of the underwater electric field in ocean environment reduced with the decrease of the conductivity and the movement of the sea water.The energy was mainly concentrated in the 0.01～1 Hz low frequency and power frequency range.The ocean environment electric field showed strong consistency within certain space range.Conclusion The experimental results showed a certain degree of agreement with the theoretical analysis results.

underwater electric field in ocean environment;time-frequency characteristic;energy distribution

10.7643/issn.1672-9242.2014.05.012

TB56

:A

1672-9242(2014)05-0058-04

2014-06-18;

2014-07-08

Received:2014-06-18;Revised:2014-07-08

江立軍(1960—),男,遼寧大連人,高級工程師,主要研究方向為雷達與電子對抗。

Biography:JIANG Li-jun(1960—),Male,from Dalian,Liaoning,Senior engineer.Research focus:radar and electronic countermeasures.